應(yīng)急電源在水閘工程中的應(yīng)用

楊勁文

(福建省水利規(guī)劃院，福州 350001)

0 前 言

水閘工程是具有防洪、擋潮、排澇、取水等多功能的重要水工建筑物，其在水利工程中發(fā)揮著十分重要的作用。根據(jù)SL 41-2018《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中重要泄洪閘門啟閉機(jī)對(duì)應(yīng)急電源的設(shè)置要求，在供電設(shè)計(jì)上其負(fù)荷等級(jí)一般不低于二級(jí)負(fù)荷，并應(yīng)配備應(yīng)急電源[1]。近年來，隨著蓄電池技術(shù)的成熟，在各類工程中采用EPS應(yīng)急電源作為備用電源已得到越來越多的應(yīng)用，拓寬了設(shè)計(jì)在備用電源上的選擇類型。

1 EPS的基本工作原理

EPS應(yīng)急電源(EPS：Emergency Power Supply)是以蓄電池作為電源蓄能，應(yīng)用靜止型逆變技術(shù)，采取CPU控制、數(shù)字化電路、高集成度電子元件生產(chǎn)出的環(huán)保型產(chǎn)品，整體系統(tǒng)主要由整流充電器、蓄電池組、逆變器、控制器、互投裝置、配電回路等組成。EPS應(yīng)急電源基本原理接線如圖1所示。

2 EPS應(yīng)急電源同柴油發(fā)電機(jī)組比較

以往水閘工程在配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的備用電源時(shí)并無(wú)太多選擇，多采用外引第二路市電或柴油發(fā)電機(jī)組來作為備用電源。柴油發(fā)電機(jī)組作為自備電源相比外引第二路市電的優(yōu)點(diǎn)是供電更可靠，但需考慮單獨(dú)的柴油電機(jī)房、進(jìn)出風(fēng)口百葉窗、排油煙、震動(dòng)、噪音、消防等一系類設(shè)計(jì)相關(guān)問題。現(xiàn)階段，隨著EPS應(yīng)急電源的成熟，水閘配電備用應(yīng)急電源除了可采用柴油發(fā)電機(jī)組、外引第二路市電外，亦可選用EPS應(yīng)急電源。下文是對(duì)EPS應(yīng)急電源與柴油發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)進(jìn)行比較(相關(guān)數(shù)據(jù)參見GB/Z 29328-2018 重要電力用戶供電電源及自備應(yīng)急電源配置技術(shù)規(guī)范)[2]：

圖1 EPS應(yīng)急電源基本原理接線圖

1)容量：EPS應(yīng)急電源為0.5-800kW，柴油發(fā)電機(jī)組為2.5-2500kW。

2)工作方式：EPS應(yīng)急電源與柴油發(fā)電機(jī)組都具有冷備、熱備兩種工作方式。

3)持續(xù)供電時(shí)間：EPS應(yīng)急電源一般≤2h，柴油發(fā)電機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)條件下可達(dá)到12h，相較之下，此項(xiàng)柴油發(fā)電機(jī)組勝于EPS應(yīng)急電源。

4)切換時(shí)間和方式：EPS應(yīng)急電源為0.1-2S，柴油發(fā)電機(jī)組需5-30S，EPS應(yīng)急電源具有能快速切換的優(yōu)勢(shì)。

5)切換方式：EPS應(yīng)急電源切換方式為ATS，柴油發(fā)電機(jī)組可ATS或手動(dòng)。

6)供電狀況：EPS應(yīng)急電源電壓、頻率穩(wěn)定，效率高；柴油發(fā)電機(jī)組電壓、頻率不穩(wěn)，效率低。

7)過載及保護(hù)：EPS應(yīng)急電源過載能力強(qiáng)，保護(hù)完善；柴油發(fā)電機(jī)組過載能力強(qiáng)，但保護(hù)效果一般。

8)運(yùn)行維護(hù)：EPS應(yīng)急電源安裝、運(yùn)行、維護(hù)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守或遠(yuǎn)方監(jiān)控；柴油發(fā)電機(jī)組安裝復(fù)雜、運(yùn)行、維護(hù)復(fù)雜，需要專人值守。

9)使用壽命：EPS應(yīng)急電源一般使用壽命為20a左右，柴油發(fā)電機(jī)組一般可使用20a以上。

10)造價(jià)與運(yùn)行成本：EPS應(yīng)急電源造價(jià)高40%，但運(yùn)行成本低；柴油發(fā)電機(jī)組造價(jià)低，但輔助設(shè)施、運(yùn)行費(fèi)用約高30%，相較之下，此項(xiàng)EPS應(yīng)急電源造價(jià)成本高于柴油發(fā)電機(jī)組。

11)節(jié)能與環(huán)保：EPS應(yīng)急電源為離線式工作，耗電0.1%左右，工作效率達(dá)85%-95%，具有節(jié)能、噪聲小、無(wú)震動(dòng)和無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)；柴油發(fā)電機(jī)組平時(shí)不耗電，但工作時(shí)噪聲大，有震動(dòng)且排煙會(huì)造成污染。

12)允許斷電時(shí)間：EPS應(yīng)急電源秒級(jí)(10S內(nèi))，柴油發(fā)電機(jī)組分鐘級(jí)。

13)適用場(chǎng)合：EPS應(yīng)急電源消防、各類建筑場(chǎng)所，適用于電阻性照明負(fù)載、電感性電機(jī)、電容性負(fù)載以及混合負(fù)載；柴油發(fā)電機(jī)組類建筑場(chǎng)所，適用于電阻性照明負(fù)載，電感性電機(jī)及混合負(fù)載。

由以上多項(xiàng)比較結(jié)果可知，EPS應(yīng)急電源可作為允許停電時(shí)間為秒級(jí)、持續(xù)運(yùn)行時(shí)間≤2h、負(fù)荷功率≤800kW的工程作為備用應(yīng)急電源。水利工程中各類水閘工程的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)不多，各扇閘門啟閉只需要短時(shí)運(yùn)行，允許停電時(shí)間為分鐘級(jí)，各類水閘工程中大型水閘負(fù)荷一般≤300kW，中小型水閘負(fù)荷一般≤150kW。因此作為水閘工程的自備應(yīng)急電源，EPS應(yīng)急電源同柴油發(fā)電機(jī)組一樣，供電可靠性比外引第二路市電源更加可靠。且根據(jù)以上多項(xiàng)比較來看，相比柴油發(fā)電機(jī)組，現(xiàn)階段除造價(jià)稍貴一些，在技術(shù)上均比柴油發(fā)電機(jī)組有優(yōu)勢(shì)，更適合作為水閘工程的備用應(yīng)急電源。

3 EPS應(yīng)急電源配電接線應(yīng)用

EPS應(yīng)急電源連接在水閘工程配電接線上的位置，一般可按負(fù)荷性質(zhì)可分為混合負(fù)荷接線、單項(xiàng)負(fù)荷接線、變頻負(fù)荷接線這3種接線連接方式。對(duì)于饋線啟閉臺(tái)數(shù)超過6臺(tái)的可根據(jù)上述3種接線方式增設(shè)分段母線。圖2各負(fù)荷性質(zhì)接線圖中列舉了這3種負(fù)荷接線的在水閘工程配電接線中的連接方式，供同行設(shè)計(jì)在水閘配電接線中作為參考。

圖2 各負(fù)荷性質(zhì)接線圖

上圖中圖2方框內(nèi)EPS、圖3方框內(nèi)可變頻EPS的內(nèi)部接線包含圖1中虛線框內(nèi)EPS的接線。上面3圖中的EPS方框內(nèi)設(shè)備可單獨(dú)成柜，亦可根據(jù)實(shí)際工程需要擴(kuò)大EPS方框至包含全部配電接線的進(jìn)、出開關(guān)回路成柜。

圖1接線適用于具有三相、單相的混合負(fù)荷EPS應(yīng)急電源配電接線。圖2、圖3的EPS應(yīng)急電源適用于負(fù)荷僅為單相或三相負(fù)載配電接線，圖3的接線適用于采用變頻三相EPS應(yīng)急電源配電接線。

4 EPS應(yīng)急電源容量及備用時(shí)間計(jì)算

水閘工程配電設(shè)計(jì)在選擇EPS應(yīng)急電源時(shí)需要計(jì)算應(yīng)急電源容量和備用時(shí)間。

4.1 EPS應(yīng)急電源不同類型負(fù)荷的參考容量計(jì)算方法

EPS應(yīng)急電源容量計(jì)算一般按需要系數(shù)法計(jì)算，并應(yīng)根據(jù)水閘工程的最大運(yùn)行方式統(tǒng)計(jì)應(yīng)急電源容量。

1)照明類EPS容量計(jì)算：

(1)

式中：P1為單相負(fù)荷中最大相功率；P2為單相負(fù)荷中中間相功率。

2)電力類EPS容量計(jì)算：

a)帶多臺(tái)電機(jī)且同時(shí)啟動(dòng)時(shí)

EPS21e=1.05×S∑Q

(2)

式中：S∑Q為多臺(tái)啟動(dòng)電機(jī)功率之和。

b)帶多臺(tái)電機(jī)且不同時(shí)啟動(dòng)時(shí)：

EPS22e=1.05×(SQ+S∑D)

(3)

式中：SQ為最大一臺(tái)啟動(dòng)電機(jī)功率；S∑D為其它多臺(tái)電功率之和。

c)帶多臺(tái)電機(jī)且不同時(shí)啟動(dòng)不同時(shí)運(yùn)行時(shí)：

EPS容量=1.05×SQ

(4)

式中：SQ為最大一臺(tái)啟動(dòng)電機(jī)功率。

3)閘門電機(jī)啟動(dòng)容量計(jì)算：

SQ=KSe

(5)

式中：K為啟動(dòng)倍數(shù)，直接啟動(dòng)為7，星三角啟動(dòng)為4，軟啟動(dòng)為3，變頻啟動(dòng)為1.1；SQ為電機(jī)啟動(dòng)容量；Se指電機(jī)額定容量。

4.2 EPS應(yīng)急電源備用時(shí)間計(jì)算

水閘工程的閘門啟閉設(shè)備一般分為螺桿機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、液壓機(jī)三大類型。其中，螺桿式啟閉機(jī)的啟門速度0.2m/min-0.5m/min；卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)的啟門速度為0.2m/min-0.5m/min；液壓式啟閉機(jī)的啟門速度為0.2m/min-1m/min[1]。

EPS應(yīng)急電源備用時(shí)間計(jì)算可按下式參考計(jì)算：

=(K1×KC+K2)×V×H
其中Kc=N/S=Z+r

(6)

式中：T為EPS應(yīng)急電源的備用時(shí)間；K1為單孔水閘的開啟關(guān)閉次數(shù)，單程啟閉時(shí)取值為1，雙程啟閉時(shí)取值為2；K2為水閘工程的備用啟閉次數(shù)，當(dāng)總孔數(shù)≤3時(shí)取值為1，當(dāng)總孔數(shù)>3時(shí)取值為2；KC為水閘工程所有孔數(shù)在最大運(yùn)行方式下的啟閉次數(shù)；N指水閘工程總的孔數(shù)；S指水閘工程最大運(yùn)行方式下啟閉的孔數(shù)；Z指N/S的正整數(shù)開啟次數(shù)；r指N/S的余數(shù)開啟次數(shù)，r取值為(0或1)，當(dāng)N/S能被正整除時(shí)取0，當(dāng)N/S有余數(shù)時(shí)取1；V指各類型閘門啟閉機(jī)啟閉速度；H指各類型閘門啟閉機(jī)揚(yáng)程。

列1：近年來本人設(shè)計(jì)的福建省某城關(guān)新建的排澇水閘中，有3座水閘采用了EPS應(yīng)急電源作為備用電源。某1水閘工程，共設(shè)5孔，采用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，總裝機(jī)5×11kW。啟閉機(jī)啟門速度為1.47m/min，揚(yáng)程7m。水閘的單相照明負(fù)荷和監(jiān)控負(fù)荷折算后為三相負(fù)荷為13kW，水閘配電采用單母線接線方式，詳見文中圖1中的圖3接線方式，根據(jù)本工程的孔數(shù)，EPS應(yīng)急電源方框下設(shè)有5回閘門啟閉機(jī)饋線回路。本水閘工程共設(shè)有1面GGD型進(jìn)線配電柜、1面現(xiàn)地LCU柜、2面EPS應(yīng)急電源柜。各啟閉機(jī)市電供電時(shí)采用直接啟動(dòng)，可變頻EPS應(yīng)急電源供電時(shí)采用降壓變頻技術(shù)啟動(dòng)，水閘最大運(yùn)行方式為1臺(tái)啟停運(yùn)行，單孔水閘的啟閉次數(shù)為1開1閉的雙行程。EPS應(yīng)急電源容量計(jì)算如下：

EPS∑=EPS21e=1.05×KSQ=1.05×1.1×11=12.71kW，用于EPS應(yīng)急電源柜功率選擇計(jì)算；

S∑=P∑+EPS21e=13+12.71=25.71 Kw，用于GGD進(jìn)線配電柜選擇計(jì)算；

T=(K1×Kc+ K2)×V× H=(2×(5+0)+ 2)×1.47× 7 ≈124min，用于EPS應(yīng)急電源備用時(shí)間選擇計(jì)算；

根據(jù)上述計(jì)算的EPS∑=12.71kW，T=124min，查相關(guān)廠家樣本,選擇EPS應(yīng)急電源功率為15kW，備用時(shí)間125min，共需2面EPS應(yīng)急電源柜(其中1面主機(jī)柜，1面電池柜)。

注1：本列工程單相負(fù)荷不在EPS應(yīng)急電源供電范圍內(nèi)，照明箱應(yīng)急照明回路另設(shè)有帶蓄電池的燈具，監(jiān)控負(fù)荷現(xiàn)地LCU柜另設(shè)有機(jī)架式UPS。

注2：上述計(jì)算的EPS功率僅指EPS應(yīng)急柜負(fù)荷的功率，并非指EPS柜內(nèi)蓄電池組功率，EPS柜內(nèi)的蓄電池組功率、蓄電池的數(shù)量、單個(gè)蓄電池的電壓、功率、安·時(shí)數(shù)等選擇不在文章探討范圍，本列工程EPS柜內(nèi)相關(guān)主設(shè)備由廠家根據(jù)招標(biāo)文件技術(shù)要求配套。

6 小 結(jié)

綜上所述，現(xiàn)有EPS應(yīng)急電源柜適用于應(yīng)急時(shí)僅需短時(shí)供電的二級(jí)負(fù)荷以上的各類水閘和類似工程中作為備用電源。隨著模塊化熱插拔電池柜技術(shù)和快速充放電技術(shù)成熟及應(yīng)用，當(dāng)單個(gè)蓄電池的熱插拔更換及充放電時(shí)間與傳統(tǒng)的汽柴油加油時(shí)間接近時(shí)，各類工程中備用電源采用EPS應(yīng)急電源的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步拓寬，并成為優(yōu)先選擇的備用應(yīng)急電源。